用于超大规模集成电路芯片的桶形焊球重分布封装结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于超大规模集成电路芯片的桶形焊球重分布封装结构，包括RCP塑封材料、裸片、介质层、RDL焊盘、焊球、PCB焊盘和PCB基板，所述的焊球为桶形焊球，其上下两部分分别是两个半球的一部分，中间是一截圆柱，焊球整体呈桶形。本发明的桶形几何结构焊球的重分布封装在热机械可靠性方面得到了提高。
【专利说明】
用于超大规模集成电路芯片的桶形焊球重分布封装结构
技术领域
[0001] 本发明属于半导体封装领域，主要应用于超大规模集成电路芯片的封装，特别涉 及一种具有桶形几何结构焊球的重分布封装结构。
【背景技术】
[0002] 随着小型化和多功能化的趋势日渐加强，芯片封装也从之前的球栅阵列 (BallGridArray，BGA)封装发展到了晶元级封装(WaferLevelPackage，WLP)封装，而传统的 扇入型WLP封装形式制约了焊球的数量，而扇出型WLP封装可以很好的解决焊球数量和节距 的问题。重分布封装技术(redistributedchippackaging，RCP)是扇出型WLP封装的一种，它 与BGA封装相比，封装的厚度和面积都大幅度减小，是一种很有前景的未来封装技术。
[0003] 而封装厚度和面积的减小，使得该封装形式的热机械问题变得尤为突出。近来，大 约65 %的失效都是有热机械问题引起的。焊球作为封装中最重要的部分，起着电气连通性 和导热、散热的功能，而焊球也是整个封装中最脆弱的部分，大部分的热机械失效都是有焊 球的断裂引起的，甚至可以说焊球的热机械可靠性直接决定着整个封装体的热机械可靠 性。在如今主流封装技术都在使用球形焊球，如图2所示，而焊球的几何结构对封装的热机 械可靠性的影响问题往往在封装技术的设计和研发阶段被忽略掉。
[0004] 因此，应当考虑封装技术中焊球几何机构这一因素，以改善芯片封装技术的热机 械可靠性问题。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种能够改善芯片封装热机械可靠性问题的重分布封装结构。本发明 通过改变焊球的几何结构，来减小在使用过程中，通电产热和断点放热这一热循环的条件 下，由于封装体各部件热膨胀系数不同而导致的在焊球上产生的热机械应力、应变和非弹 性应变能量密度，从而改善重分布封装的热机械可靠性，提高芯片的使用寿命。本发明的技 术方案如下：
[0006] 一种用于超大规模集成电路芯片的桶形焊球重分布封装结构，包括RCP塑封材料、 裸片、介质层、RDL焊盘、焊球、PCB焊盘和PCB基板，其特征在于，所述的焊球为桶形焊球，其 上下两部分分别是两个半球的一部分，中间是一截圆柱，焊球整体呈桶形。
[0007] 本发明的桶形几何结构焊球的重分布封装在热机械可靠性方面得到了提高，主要 体现在:桶状几何结构的焊球可以减小重分布封装中由于封装体各部件热膨胀系数不匹配 而产生的热机械应力、应变，还有效减小了非弹性应变能量在焊球连接RDL焊盘和PCB焊盘 表面薄层的积累，延长了芯片的寿命;桶形焊球相对于传统的球形焊球，对焊接过程中的翘 曲现象有较好的缓解，提高了芯片的板级可靠性;桶形焊球与相同焊球开口和焊球高度的 球形焊球相比，焊球的体积得到有效的减小，从而节省了成本。
【附图说明】
[0008] 图1桶形几何机构焊球的RCP封装结构
[0009] 图2是球形焊球的几何结构
[0010] 图3桶形焊球的几何结构
[0011] 图4桶形焊球RCP封装的纵向结构
[0012] 图5所构建的四分之一模型的俯视图
[0013 ]图6桶形焊球RCP封装中非弹性应变能量密度在焊球上的总体分布图
[0014] 图7是桶形焊球RCP封装中非弹性应变能量密度在焊球上分布的俯视图
[0015] 图8是桶形焊球RCP封装中非弹性应变能量密度在焊球上分布的仰视图
[0016] 附图标记说明：1是RCP塑封材料;2是裸片(硅片）；3是介质层;4是RDL焊盘;5是焊 球;6是PCB焊盘;7是PCB基板;R是焊球开口的半径;H是焊球的高度。
【具体实施方式】
[0017] 常规重分布封装技术流程为:首先，把裸片有源面向下放置于基板上，并用环氧树 脂封装;然后去除掉基板材料;重分布过程，即重新排布信号线、电源线和地线;之后植入球 形焊球;最后切割开程单独的芯片。
[0018] 为了与常规重分布封装流程相契合，桶形焊球要根据原有的球形焊球的参数作为 参考来设计和生产，例如焊球的开口、焊球的高度、焊球的材料等。桶形焊球上下两部分分 别是两个半球，上下两端的焊球开口要与原工艺流程契合，即保持桶形焊球的焊球开口与 原球形焊球的焊球开口一致，中间是一截圆柱，焊球整体呈桶形。然后在植球过程中，把桶 形焊球植到焊盘上，最后在实际使用中采用合适的焊接技术把芯片焊接到PCB板上。
[0019] 这个技术方案中的桶形焊球制造技术、植球技术和最后的焊接技术是本发明的关 键技术点。在这些过程中，要保证焊球的几何形状为桶形，这样才能使桶形焊球对封装的热 机械可靠性起到改善的效果。
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
[0021 ]本发明的结构如图1、图3和图4所示，图1为总体效果图，图3为焊球的几何结构，图 4为整体纵向结构，依次由上到下为塑封材料1、裸片2(硅片）、介质层3和RDL焊盘4构成的重 分布层、焊球5、PCB焊盘6和PCB基板7。其中，塑封材料把硅片包裹在内，起到对硅片的保护 作用;塑封材料尽量薄，可以更好的导热;塑封材料面积远大与硅片面积，多出的部分充当 扇出区域，可以慢足高焊球数量的要求;焊球通过RDL焊盘与封装体内部电气连通，通过PCB 焊盘与PCB基板连接。
[0022] 焊球选用SAC焊球，即锡-银-铜焊球，这种焊球不含铅，对环境更佳友好;桶形焊球 比同参数要求的球形焊球体积小，成本低；另外，本发明的技术难点是植球和焊球过程，要 详尽考虑各种因素，选用合适的焊膏，严格保证桶形焊球的几何结构不改变。
[0023] 为验证桶形几何机构焊球较之球形几何结构焊球具有更佳的热机械可靠性，对图 1所示的封装结构进行建模，考虑到封装的对称性，分别建立桶形焊球和球形焊球的四分之 一RCP邮箱元封装模型，如图4和图5所示，图4显示了桶形焊球RCP封装的纵向结构，图5显示 了所建立的模型的相对大小，娃片为2 X 2 X 0.3mm3，位于内层16个焊球上方，外层焊球上方 为扇出区。如图2和图3所示，桶形焊球和球形焊球的焊球开口半径R和焊球高度H保持一致。 施加-40 °C-125 °C的热循环载荷，循环三次，求得关键点处焊球表面薄层中非弹性应变能量 密度的大小，来表征封装的热机械可靠性。非弹性应变能量积累越少，即非弹性应变能量密 度值越小，则说明该结构的封装热机械可靠性越好。从图6、图7和图8可知:对于焊球与封装 体连接的上表面处，硅片下方角部的焊球上表面薄层中非弹性应变能量密度值最大;对于 焊球与PCB连接的下表面处，封装整体角部的焊球小表面薄层中非弹性应变能量密度值最 大。球形焊球RCP封装四分之一模型仿真结果与桶形焊球RCP封装四分之一模型仿真结果一 致。所以，硅片下方角部焊球和封装整体角部焊球为两个关键点焊球，硅片下方角部焊球上 表面薄层和封装整体角部焊球的下表面薄层中的非弹性应变能量密度值是表征封装热机 械可靠性的两个关键参数。两种结构模型仿真所得两个关键参数值如表1所示，桶形几何结 构焊球RCP封装中硅片下方角部焊球的上表面薄层中非弹性应变能量密度较之球形焊球结 构RCP封装减小了约16.9%，整体封装角部焊球下表面薄层中非弹性应变能量密度较之球 形结构RCP封装减小了约17.3%。这表明，桶形几何结构焊球的RCP封装的热机械可靠性较 之球形几何结构焊球的RCP封装有了显著的提升，芯片的寿命也会相应的增加。
[0024]表1常规球形焊球和桶形焊球的RCP封装关键点焊球上表面薄层处平均非弹性应 变能量密度值
【主权项】
1. 一种用于超大规模集成电路芯片的桶形焊球重分布封装结构，包括RCP塑封材料、裸 片、介质层、RDL焊盘、焊球、PCB焊盘和PCB基板，其特征在于，所述的焊球为桶形焊球，其上 下两部分分别是两个半球的一部分，中间是一截圆柱，焊球整体呈桶形。
【文档编号】H01L21/60GK106057761SQ201610673588
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月14日 公开号201610673588.6, CN 106057761 A, CN 106057761A, CN 201610673588, CN-A-106057761, CN106057761 A, CN106057761A, CN201610673588, CN201610673588.6
【发明人】肖夏, 曹一凡
【申请人】天津大学